一种雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机

1.本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机。


背景技术：

2.在突发模式光通信系统中，由于无源光网络(passive optical networks，pon)中各个光网络单元(optical network unit，onu)到光链路终端(optical link terminal，olt)的距离不同，同时各个onu激光器的老化程度也不同，因此pon上行链路中来自不同onu的光信号幅度差异很大，这要求接收机需要有更大的输入动态范围以适应幅度差异，并且能够快速配置自身参数以适应突发模式通信要求。
3.相较于p型半导体-本征半导体-n型半导体光电二极管，雪崩光电二极管(avalanche photodiode，apd)具有高响应度的特点，经常被用于突发模式光接收机。同时，其增益可以通过改变偏置电压的方式进行调节，在大输入情况下可以降低apd供电电压来降低apd的增益，减小apd输出光电流信号的大小，从而提高光接收机的过载能力，有助于增大光接收机动态范围。
4.但是由于apd的供电电压较高，目前大多数apd增益可控的apd光接收机的工作均采用连续调控片外供电的方案。现有技术将工作在线性区的晶体管作为压控电阻，与一个电阻串联对供电电压进行分压，将分压得到的电压经缓冲器后作为apd的供电电压。通过控制作为压控电阻的晶体管的栅极电压改变压控电阻的阻值，从而改变电阻分压比例，进而改变apd供电电压，实现apd的增益控制，取得了31db的动态范围指标。
5.但由于该工作采用模拟连续控制的方式在片外控制供电电路，系统的响应速度取决于压控电阻以及缓冲器的响应时间，其调控速度较慢，接收机响应时间为150ns；同时由于系统增加了片外的供电以及控制电路，增大了系统的复杂度，使系统集成度降低，成本增高。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机，旨在解决现有技术中apd增益调控响应速度慢的问题。
7.本发明提供了一种雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机，包括：apd，跨阻放大器和增益控制电路；所述apd用于接收光信号，并将所述光信号转换为电流信号；所述跨阻放大器的输入端连接至所述apd的输出端，用于将所述电流信号转换为电压信号并放大后输出；所述增益控制电路连接至所述跨阻放大器的输出端与所述apd之间，所述增益控制电路检测输出信号幅度，并根据检测到的输出信号幅度切换apd的供电电压，实现对apd增益的快速切换。
8.更进一步地，跨阻放大器包括：依次连接的预放大器、单转差电路和主放大器；所述预放大器用于将apd输出的电流信号转换为单端电压信号；所述单转差电路用于将预放
大器输出的单端电压信号转换为差分电压信号；所述主放大器用于放大单转差电路输出的差分电压信号，提高跨阻放大器增益。
9.更进一步地，增益控制电路包括：峰值检测电路、控制信号产生网络和高压开关网络；所述峰值检测电路的输入端连接至所述跨阻放大器的输出端，所述峰值检测电路用于检测所述跨阻放大器的输出信号的幅度，并输出一个可以表征输出信号幅度的电压信号vpeak；所述控制信号产生网络用于根据所述电压信号vpeak大小判断当前输入信号大小，并产生控制高压开关网络选通相应通道的控制信号；所述高压开关网络用于根据所述控制信号选通相应通道的待机电压作为apd的供电电压。
10.更进一步地，控制信号产生网络包括：第一比较器、第二比较器、第三比较器、第一nmos晶体管nm1和第一pmos晶体管pm1；所述第一比较器的正输入端、所述第二比较器的正输入端和所述第三比较器的正输入端均连接至峰值检测电路的输出端，所述第一比较器的负输入端连接第一参考电压v
_ref1
，所述第二比较器的负输入端连接第二参考电压v
_ref2
，所述第三比较器的负输入端连接第三参考电压v
_ref3
；所述第一比较器的输出端连接至所述第一nmos晶体管nm1和所述第一pmos晶体管pm1的栅极，并作为所述控制信号产生网络的第一输出端vc1；所述第二比较器的输出端连接至所述第一pmos晶体管pm1的漏极；所述第三比较器的输出端连接至所述第一nmos晶体管nm1的漏极；所述第一nmos晶体管nm1的源极和所述第一pmos晶体管pm1的源极作为所述控制信号产生网络的第二输出端vc0。
11.其中，第一参考电压v
_ref1
、第二参考电压v
_ref2
和第三参考电压v
_ref3
的大小满足如下关系：v
_ref3
》v
_ref2
》v
_ref1
。
12.更进一步地，高压开关网络包括：第一组内电平控制电路、第二组内电平控制电路、第一栅极驱动电路、第二栅极驱动电路、第二pmos管pm2和第二nmos管nm2；所述第一组内电平控制电路的控制信号输入端和所述第二组内电平控制电路的控制信号输入端均连接至所述控制信号产生网络的第二输出端vc0；所述第一组内电平控制电路的第一电压输入端用于连接第一电压v_h00，所述第一组内电平控制电路的第二电压输入端用于连接第二电压v_h01，所述第二组内电平控制电路的第一电压输入端用于连接第三电压v_h10，所述第二组内电平控制电路的第二电压输入端用于连接第四电压v_h11；所述第一栅极驱动电路的输入端和所述第二栅极驱动电路的输入端均连接至所述控制信号产生网络的第一输出端vc1；所述第二pmos管pm2的栅极连接至所述第一栅极驱动电路的输出端，所述第二pmos管pm2的源极连接至所述第一组内电平控制电路的输出端，所述第二nmos管nm2的栅极连接至所述第二栅极驱动电路的输出端，所述第二nmos管nm2的源极连接至所述第二组内电平控制电路的输出端，所述第二pmos管pm2的漏极和所述第二nmos管nm2的漏极作为所述高压开关网络的输出端。
13.更进一步地，第一组内电平控制电路和所述第二组内电平控制电路结构相同，均包括：第三pmos管pm3、第四pmos管pm4、第三nmos管nm3、第四nmos管nm4、第三栅极驱动电路和第四栅极驱动电路；所述第三栅极驱动电路的输入端和第四栅极驱动电路的输入端均作为组内电平控制电路的控制信号输入端，所述第三pmos管pm3的栅极和第四pmos管pm4的栅极均连接至所述第三栅极驱动电路的输出端，所述第三nmos管nm3的栅极和第四nmos管nm4的栅极均连接至所述第四栅极驱动电路的输出端，所述第三pmos管pm3的源极和第三nmos管nm3的源极均作为组内电平控制电路的电压输入端；所述第三pmos管pm3的漏极与第四
pmos管pm4的源极连接，第四nmos管nm4的源极与第三nmos管nm3的漏极连接，第四pmos管pm4的漏极与第四nmos管nm4的漏极均作为组内电平控制电路的电压输出端。
14.相较于传统光接收机采用连续控制的方式控制apd供电电压，本发明光接收机在片上集成了apd增益控制电路，可根据输入信号幅度通过开关切换的方式快速将某个待机电压接入电路作为apd的供电电压，从而快速改变apd增益，进而控制输入电信号幅度。这种电压切换模式的响应时间取决于控制电路的信号产生时间与开关电路的切换速度，而非供电电压调整所需要的稳态建立时间，因此可以大幅提升电压切换的响应速度，缩短突发模式光接收机的稳态建立时间。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机的电路结构方框示意图；
16.图2是本发明实施例提供的雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机中控制信号产生网络以及高压开关网络原理框图；
17.图3是本发明实施例提供的雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机中组内电平控制电路原理框图；
18.图4是本发明实施例提供的雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机的增益控制效果示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.本发明可以解决现有基于apd的光接收机中apd增益调控响应速度慢的问题，提出了一种apd增益快速可调的光接收机架构，有益于提升光接收机的过载能力，增大光接收机动态范围，并且满足突发模式光接收机对于系统响应速度的要求。
21.本发明提供的雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机包括：apd、跨阻放大器和增益控制电路，apd接收光信号并将光信号转换为电流信号；跨阻放大器输入端连接于雪崩二极管apd的输出端，将雪崩二极管apd输出的电流信号转换为电压信号并放大后输出；增益控制电路通过检测输出信号幅度，并根据检测到的输出信号幅度切换apd的供电电压，实现对apd增益的控制。
22.在本发明实施例中，增益控制电路包括：峰值检测电路、控制信号产生网络和高压开关网络，峰值检测电路输入端连接于跨阻放大器输出端，峰值检测电路检测所述跨阻放大器的输出信号的幅度，并输出一个可以表征输出信号幅度的电压信号vpeak；高压开关网络输入端连接若干个不同大小的待机电压，输出端连接于apd的供电端，高压开关网络可根据控制信号选通相应通道的待机电压作为apd的供电电压；控制信号产生网络接收峰值检测电路输出的电压信号vpeak，并将vpeak与预设的参考电压进行比较，从而判断当前输入信号的大小，并产生相应控制信号，控制高压开关网络选通相应通道。当vpeak高于所设参考电压时，说明当前输入信号幅度过大，此时控制信号产生电路控制高压开关网络选通待
机电压更低的通道，将该待机电压作为apd的供电电压，减小apd的增益，使apd输出电流信号减小，使后级跨阻放大器工作在线性工作区域。所设参考电压对应的输入信号幅度为apd增益切换后对应使跨阻放大器工作在线性工作区域的最大输入信号幅度。
23.在本发明实施例中，待机电压根据apd的增益关于供电电压变化的响应曲线选取，在不同的供电电压下apd的增益不同；待机电压的数目则与需要的apd增益控制精度以及系统的复杂度相关。当所采用的待机电压数目越多，则apd增益控制的精度就越高，同时随光信号功率变化，apd输出电信号的幅度更加平稳，但是控制电路的复杂度也越高。作为本发明的一个优选实施例，光接收机可以包括多模待机电压产生网络，用于产生apd增益控制所需要的多个待机电压，进一步提高系统集成度。
24.为了更进一步的说明本发明实施例提供的雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机，现参照附图并结合具体实施例详述如下：
25.如图1所示，本发明实施例中的片上集成apd增益控制电路的光接收机包括：apd、预放大器、单转差电路、主放大器、峰值检测电路、控制信号产生网络和高压开关网络；
26.其中，预放大器可采用并联反馈共源共栅跨阻放大器实现，单转差电路可使用一端接参考电平的差分放大器实现，该参考电平为预放大器输出信号的直流分量，主放大器可采用线性差分放大器实现。
27.预放大器、单转差电路和主放大器依次相连，构成跨阻放大器，跨阻放大器输入为电流信号，输出为电压信号。输入光信号经雪崩二极管转换为电流信号，进入跨阻放大器并被转换为差分电压信号。
28.峰值检测电路、控制信号产生网络和高压开关网络依次连接组成apd增益控制电路。峰值检测电路可采用二极管实现，用于检测跨阻放大器的输出电压信号幅度，输出一个可以表征信号幅度的电压信号vpeak。
29.为了达到4种输出电平的切换功能，控制信号产生网络和高压开关网络具体电路结构如图2所示。控制信号产生网络由三个比较器、一个nmos晶体管和一个pmos晶体管组成。三个比较器的正输入端均连接vpeak，三个比较器的负输入端分别连接第一参考电压v_
ref1
，第二参考电压v_
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和第三参考电压v_
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。v_
ref1
，v_
ref2
和v_
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为三个电压分界点，v_
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》v_
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》v_
ref1
。第二比较器的输出节点vc1连接nmos晶体管nm1和pmos晶体管pm1的栅极，第三比较器和第一比较器的输出节点分别连接nmos晶体管nm1和pmos晶体管pm1的漏极，nmos晶体管nm1和pmos晶体管pm1的源极连接vc0。
30.高压开关网络可以采用并联两组开关网络的方案，由两组组内电平控制电路和组控制电路组成。组控制电路由一个nmos晶体管、一个pmos晶体管和对应的栅极驱动电路组成，所述组控制电路根据控制电压vc1选择一组组内电平控制电路工作。
31.组内电平控制电路框图如图3所示，由两个nmos晶体管、两个pmos晶体管和相应的栅极驱动电路组成。两个nmos晶体管、两个pmos晶体管分别构成nmos晶体管支路和pmos晶体管支路，输入节点分别连接v_h01/v_h11和v_h00/v_h10，输出节点连接vh0/vh1，两个晶体管支路的栅极连接相应的栅极驱动电路。组内电平控制电路根据控制电压vc0选择pmos晶体管支路还是nmos晶体管支路导通。
32.本实例中v_h00、v_h01、v_h10和v_h11电压分别为20v、18v、16v和14v。由于apd供电需要的电压过高，远超传统单管cmos开关管的击穿电压，因此选通开关的电路结构采用
级联开关阵列结构，各晶体管均使用高压晶体管，通过多组高压晶体管级联，提高开关的耐压水平。同时高压晶体管栅极需要与被控制电压幅度相当的高控制电压，所以各晶体管栅极均连接对应的栅极驱动电路，根据控制信号产生网络产生的控制信号产生相应的栅极驱动电压。
33.图4为光接收机apd增益控制效果示意图，横轴为输入光信号功率pin，纵轴为峰值检测电路的输出电压vpeak。当没有apd增益调控机制时，v_h00作为apd工作电压，vpeak随输入光信号功率pin变化曲线如图中虚线所示，由于apd以及跨阻放大器的非线性，随pin增大，vpeak会随之增大并趋近一个饱和值。三个参考电压v_
ref1
、v_
ref2
、v_
ref3
将vpeak变化范围划分为4个区域，控制信号产生网络判断当前vpeak处于哪个区域并控制高压开关网络相应通道导通，切换apd供电电压，从而控制apd增益。所采用的参考电压所对应的输入光功率pin为apd切换到相应增益状态下使跨阻放大器工作在线性工作范围的最大输入光功率。如参考电压v_
ref2
所对应的输入功率为将v_h01作为apd供电电压的状态下使跨阻放大器工作在线性工作区域的最大输入功率。
34.本发明实例具体工作状态如下：
35.默认情况下无输入信号，vpeak最低，此时三个比较器均输出低电平，vc1和vc0均为低电平，此时组控制电路中晶体管pm2导通，晶体管nm2关断，第一组内电平控制电路工作，同时组内电平控制电路pmos晶体管支路导通，所以待机电压v_h00与输出节点导通，作为apd供电电压。apd增益最高，相应增益曲线为黑色虚线。
36.当一个突发包到达时，峰值检测电路检测输出信号幅度，输出一个大小与突发包信号幅度成比例的电压vpeak。
37.当vpeak≤v_
ref1
时，控制信号产生网络状态不变，高压开关网络v_h00通道导通，v_h00作为apd供电电压，apd供电电压最高，保持最高增益状态。
38.当v_
ref1
《vpeak≤v_
ref2
时，控制信号产生网络中第一比较器输出高电平，第二比较器输出低电平，第三比较器输出低电平。此时晶体管pm1导通，晶体管nm1关断，于是vc1为低电平，vc0为高电平。高压开关网络v_h01通道导通，待机电压v_h01作为apd的供电电压，apd供电电压降低，增益降低。
39.以此类推，当v_
ref2
《vpeak≤v_
ref3
时，vc1为高电平，vc0为低电平。高压开关网络v_h10通道导通，待机电压v_h10作为apd的供电电压。当vpeak》v_
ref3
时，vc1和vc0均为高电平，高压开关网络v_h11通道导通，待机电压v_h11最为apd供电电压。
40.从而实现如图3中黑色实线所示的apd增益快速切换控制效果。
41.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机，其特征在于，包括：apd，跨阻放大器和增益控制电路；所述apd用于接收光信号，并将所述光信号转换为电流信号；所述跨阻放大器的输入端连接至所述apd的输出端，用于将所述电流信号转换为电压信号并放大后输出；所述增益控制电路连接至所述跨阻放大器的输出端与所述apd之间，所述增益控制电路检测输出信号幅度，并根据检测到的输出信号幅度切换apd的供电电压，实现对apd增益的快速切换。2.如权利要求1所述的突发模式光接收机，其特征在于，所述跨阻放大器包括：依次连接的预放大器、单转差电路和主放大器；所述预放大器用于将apd输出的电流信号转换为单端电压信号；所述单转差电路用于将预放大器输出的单端电压信号转换为差分电压信号；所述主放大器用于放大单转差电路输出的差分电压信号，提高跨阻放大器增益。3.如权利要求1或2所述的突发模式光接收机，其特征在于，所述增益控制电路包括：峰值检测电路、控制信号产生网络和高压开关网络；所述峰值检测电路的输入端连接至所述跨阻放大器的输出端，所述峰值检测电路用于检测所述跨阻放大器的输出信号的幅度，并输出一个可以表征输出信号幅度的电压信号vpeak；所述控制信号产生网络用于根据所述电压信号vpeak大小判断当前输入信号大小，并产生控制高压开关网络选通相应通道的控制信号；所述高压开关网络用于根据所述控制信号选通相应通道的待机电压作为apd的供电电压。4.如权利要求3所述的突发模式光接收机，其特征在于，所述控制信号产生网络包括：第一比较器、第二比较器、第三比较器、第一nmos晶体管nm1和第一pmos晶体管pm1；所述第一比较器的正输入端、所述第二比较器的正输入端和所述第三比较器的正输入端均连接至峰值检测电路的输出端，所述第一比较器的负输入端连接第一参考电压v
_ref1
，所述第二比较器的负输入端连接第二参考电压v
_ref2
，所述第三比较器的负输入端连接第三参考电压v
_ref3
；所述第一比较器的输出端连接至所述第一nmos晶体管nm1和所述第一pmos晶体管pm1的栅极，并作为所述控制信号产生网络的第一输出端vc1；所述第二比较器的输出端连接至所述第一pmos晶体管pm1的漏极；所述第三比较器的输出端连接至所述第一nmos晶体管nm1的漏极；所述第一nmos晶体管nm1的源极和所述第一pmos晶体管pm1的源极作为所述控制信号产生网络的第二输出端vc0。5.如权利要求4所述的突发模式光接收机，其特征在于，所述第一参考电压v
_ref1
、第二参考电压v
_ref2
和第三参考电压v
_ref3
的大小满足如下关系：v
_ref3
>v
_ref2
>v
_ref1
。6.如权利要求3-5任一项所述的突发模式光接收机，其特征在于，所述高压开关网络包括：第一组内电平控制电路、第二组内电平控制电路、第一栅极驱动电路、第二栅极驱动电路、第二pmos管pm2和第二nmos管nm2；
所述第一组内电平控制电路的控制信号输入端和所述第二组内电平控制电路的控制信号输入端均连接至所述控制信号产生网络的第二输出端vc0；所述第一组内电平控制电路的第一电压输入端用于连接第一电压v_h01，所述第一组内电平控制电路的第二电压输入端用于连接第二电压v_h00，所述第二组内电平控制电路的第一电压输入端用于连接第三电压v_h11，所述第二组内电平控制电路的第二电压输入端用于连接第四电压v_h10；所述第一栅极驱动电路的输入端和所述第二栅极驱动电路的输入端均连接至所述控制信号产生网络的第一输出端vc1；所述第二pmos管pm2的栅极连接至所述第一栅极驱动电路的输出端，所述第二pmos管pm2的源极连接至所述第一组内电平控制电路的输出端，所述第二nmos管nm2的栅极连接至所述第二栅极驱动电路的输出端，所述第二nmos管nm2的源极连接至所述第二组内电平控制电路的输出端，所述第二pmos管pm2的漏极和所述第二nmos管nm2的漏极作为所述高压开关网络的输出端。7.如权利要求6所述的突发模式光接收机，其特征在于，所述第一组内电平控制电路和所述第二组内电平控制电路结构相同，均包括：第三pmos管pm3、第四pmos管pm4、第三nmos管nm3、第四nmos管nm4、第三栅极驱动电路和第四栅极驱动电路；所述第三栅极驱动电路的输入端和第四栅极驱动电路的输入端均作为组内电平控制电路的控制信号输入端，所述第三pmos管pm3的栅极和第四pmos管pm4的栅极均连接至所述第三栅极驱动电路的输出端，所述第三nmos管nm3的栅极和第四nmos管nm4的栅极均连接至所述第四栅极驱动电路的输出端，所述第三pmos管pm3的源极和第三nmos管nm3的源极均作为组内电平控制电路的电压输入端；所述第三pmos管pm3的漏极与第四pmos管pm4的源极连接，第四nmos管nm4的源极与第三nmos管nm3的漏极连接，第四pmos管pm4的漏极与第四nmos管nm4的漏极均作为组内电平控制电路的电压输出端。

技术总结
本发明属于光通信技术领域，公开了一种雪崩二极管增益快速可切换的突发模式光接收机，包括：APD，跨阻放大器和增益控制电路；APD用于将光信号转换为电流信号；跨阻放大器的输入端连接至APD的输出端，用于将电流信号转换为电压信号并放大后输出；增益控制电路连接至跨阻放大器的输出端与APD之间，增益控制电路检测输出信号幅度，并根据检测到的输出信号幅度切换APD的供电电压，实现对APD增益的快速切换。本发明在片上集成了APD增益控制电路，可根据输出信号幅度通过开关切换的方式快速将某个待机电压接入电路作为APD的供电电压，从而快速改变APD增益，进而控制输入电信号幅度；可以大幅提升电压切换的响应速度，缩短突发模式光接收机的稳态建立时间。接收机的稳态建立时间。接收机的稳态建立时间。


技术研发人员：毕晓君
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/7